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目前基于視頻的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)系統(tǒng)可粗略劃分為兩類——視頻采集裝置內(nèi)嵌處理器的檢測(cè)系統(tǒng)和視頻采集終端搭配上位機(jī)構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)。在前一類檢測(cè)系統(tǒng)中，處理器（例如DSP芯片）嵌入在視頻采集設(shè)備上，采集到的視頻幀直接在采集設(shè)備上進(jìn)行處理，處理的結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控設(shè)備上顯示。嵌入式的檢測(cè)系統(tǒng)通常采用高級(jí)語(yǔ)言（比如C語(yǔ)言）進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)，程序的調(diào)試較為復(fù)雜，工程開發(fā)周期較長(zhǎng)。在后一類檢測(cè)系統(tǒng)中，視頻采集設(shè)備將采集到的視頻幀傳送至上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)視頻幀進(jìn)行處理。在上位機(jī)上可以采用Matlab或者Simulink進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)，但是將視頻幀從視頻采集設(shè)備傳送到上位機(jī)的過程中會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，影響運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 PandaBoard作為一種低成本、低功耗的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)，可以直接運(yùn)行在Simulink開發(fā)環(huán)境下創(chuàng)建的模型。PandaBoard 的出現(xiàn)解決了嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)程序調(diào)試?yán)щy以及工程開發(fā)周期長(zhǎng)的問題，同時(shí)也解決了依賴上位機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的問題，為了在嵌入式設(shè)備上用Simulink 開發(fā)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)算法找到了突破口。 本文提出一種將Simulink 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)方式與PandaBoard 嵌入式處理機(jī)制相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)系統(tǒng)。首先在上位機(jī)的Simulink 開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行視頻幀間差法的設(shè)計(jì)，然后以PandaBoard作為嵌入式平臺(tái)執(zhí)行Simulink的設(shè)計(jì)方案，對(duì)視頻進(jìn)行處理。這種方式充分利用了Simulink的設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，將Simulink程序下載到PandaBoard開發(fā)板上運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到嵌入式實(shí)時(shí)處理效果，降低了運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，同時(shí)保證了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)由上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)組成，整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)框架 上位機(jī)子系統(tǒng)主要包括PC 機(jī)以及其上運(yùn)行的Simulink開發(fā)環(huán)境。PC 機(jī)主要負(fù)責(zé)PandaBoard 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置以及與PandaBoard進(jìn)行通信，Simulink開發(fā)環(huán)境負(fù)責(zé)視頻幀間差法的設(shè)計(jì)并將其下載到PandaBoard開發(fā)板運(yùn)行。下位機(jī)子系統(tǒng)包括USB攝像頭（圖1中模塊1）、PandaBoard開發(fā)板（圖1中模塊2）、HDMI顯示器（圖1 中模塊3）和USB 無(wú)線鼠鍵（圖1 中模塊4）。USB攝像頭到PandaBoard開發(fā)板的箭頭表示觀測(cè)視頻幀由攝像頭采集發(fā)送至PandaBoard 進(jìn)行處理。PandaBoard開發(fā)板到HDMI 顯示器的箭頭表示視頻幀經(jīng)過PandaBoard上運(yùn)行的程序處理所得的檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至HDMI顯示器進(jìn)行顯示。USB 無(wú)線鼠鍵到PandaBoard 開發(fā)板的箭頭表示可以通過USB 無(wú)線鼠鍵對(duì)Pandaboard 處理板發(fā)送操作指令，包括啟動(dòng)或者停止等指令。 由上述描述可知，本系統(tǒng)的上位機(jī)僅負(fù)責(zé)下位機(jī)中處理方案設(shè)計(jì)以及下位機(jī)參數(shù)設(shè)置，不參與下位機(jī)的視頻處理過程。下位機(jī)系統(tǒng)可以脫離上位機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。因此，圖1中上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)（位于圖1中左側(cè)大方框中）用虛線相連，表示二者在運(yùn)行過程中的獨(dú)立性。 2 系統(tǒng)硬件裝配 除PC機(jī)之外，配置本系統(tǒng)所需的器材包括：USB攝像頭；PandaBoard（含有8 G內(nèi)存卡）；帶有HDMI接口的顯示器；USB無(wú)線鼠鍵；5 V電源適配器；USB轉(zhuǎn)RS 232串口線；HDMI高清線；網(wǎng)線。 上述器材如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)模塊實(shí)物圖 本系統(tǒng)的構(gòu)建方式如下所述： （1） 用USB 轉(zhuǎn)RS 232 串口線（圖2 中器件6）將PandaBoard 和PC 機(jī)連接，RS 232 端口接到PandaBoard上，USB端口接到PC機(jī)上，USB轉(zhuǎn)RS 232串口線主要負(fù)責(zé)傳輸控制命令。 （2）用網(wǎng)線（圖2 中器件8）將PandaBoard 和PC 機(jī)的網(wǎng)口連接，網(wǎng)線負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。 （3） 將USB 攝像頭（圖2 中器件1）連接到PandaBoard 的USB 接口，負(fù)責(zé)圖像采集并將其傳輸?shù)絇andaBoard。 （4）用HDMI 高清線（圖2 中器件7）將PandaBoard和帶有HDMI接口的顯示器連接起來(lái)顯示檢測(cè)的結(jié)果。 （5）將USB無(wú)線鼠鍵（圖2中器件4）的USB無(wú)線接收器插到PandaBoard的USB接口上，負(fù)責(zé)打開或者關(guān)閉該檢測(cè)系統(tǒng)。 （6）接通5 V電源（圖2中器件5）。 在系統(tǒng)構(gòu)建過程中需要注意的是：第（1）步和第（2）步僅在下載上位機(jī)程序到下位機(jī)以及通過上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行配置的過程中起作用。當(dāng)下位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，第（1）步和第（2）步中所述的PandaBoard 和PC機(jī)的各種連接均可斷開。 在上位機(jī)程序已經(jīng)下載到下位機(jī)的情況下，檢測(cè)系統(tǒng)即可脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。此時(shí)，利用圖2中裝置器材構(gòu)建出的系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)如圖3所示。 3 幀間差分法 本系統(tǒng)采用幀間差分法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)，其原理是利用第k 幀和第k-1幀圖像的照度信息差的絕對(duì)值（差分圖像）來(lái)分析圖像序列中有無(wú)運(yùn)動(dòng)物體。采用fk (x,y) 表示第k 幀在（x，y）位置上的像素的照度值，用fk - 1(x,y) 表示第k-1幀在（x，y）位置上的像素的照度值，計(jì)算第k 幀和第k-1幀差的絕對(duì)值，得到差分圖像在（x，y）位置上的像素值Dk (x,y) ： Dk(x,y) = | f k (x,y) - fk - 1(x,y) | （1） 在前后幀之間，若（x，y）位置所表示的場(chǎng)景中的點(diǎn)靜止不動(dòng)，則fk (x,y) = fk - 1(x,y) ，此時(shí)Dk (x,y) = 0 ，表示（x，y）位于靜止的前景或背景。在前后幀之間，若（x，y）位置所表示的場(chǎng)景中的點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，則fk (x,y)≠ fk - 1(x,y) ，此時(shí)Dk (x,y) > 0 ，表示在（x，y）位置檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體的邊緣。 圖3 運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)系統(tǒng) 4 程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)在上位機(jī)上的Simulink 開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)幀間差分法，然后將設(shè)計(jì)好的程序下載到PandaBoard 上運(yùn)行。在Simulink 開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)幀間差法，信號(hào)流圖如圖4所示。 圖4 幀間差法信號(hào)流圖 實(shí)現(xiàn)幀間差法要求采集時(shí)間上連續(xù)的前后兩幀視頻，因此采集的視頻幀分成兩個(gè)支路，其中一個(gè)支路經(jīng)過延時(shí)處理，另一個(gè)支路不做任何處理，兩路視頻幀送到相減模塊進(jìn)行幀間差法操作，即得到第3節(jié)中原理所描述的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)結(jié)果。 在Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)圖4描述的處理過程如圖5所示。 圖5 幀間差法Simulink模型 V4L2 Video Capture 模塊是Simulink 為PandaBoard開發(fā)的工具箱里的視頻幀采集模塊，對(duì)應(yīng)于連接到PandaBoard上的USB攝像頭，負(fù)責(zé)視頻幀的采集；Delay模塊是常用工具箱里的延遲模塊；Matlab Function模塊是用戶自定義的函數(shù)模塊，可以在其中編輯代碼對(duì)輸入變量進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，我們?cè)谄渲芯帉懗绦驅(qū)斎胱兞恳簿褪且曨l幀進(jìn)行相減的操作；V4L2 Video Display 模塊是Simulink 為PandaBoard 開發(fā)的工具箱里的視頻幀顯示模塊。 本系統(tǒng)對(duì)圖5中模型進(jìn)行以下設(shè)置。將V4L2 Video Capture模塊采集的視頻幀設(shè)置成YCbCr 4∶2∶2格式，其中Y代表照度信息，Cb和Cr代表色度信息。本系統(tǒng)只對(duì)照度信息Y進(jìn)行處理并將色度信息Cb和Cr忽略。將Delay模塊的延遲時(shí)間設(shè)置成延遲1幀。在Matlab Function模塊中編寫代碼對(duì)兩個(gè)變量進(jìn)行相減的操作，其主要代碼為y=u-du。V4L2 Video Display模塊的輸入圖像像素格式也要設(shè)置成YCbCr 4∶2∶2格式。在本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)結(jié)果顯示中，運(yùn)動(dòng)物體的邊緣將顯示為白顏色，前景和背景中的靜止區(qū)域?qū)@示為黑顏色。 5 測(cè)試過程 5.1 系統(tǒng)配置 確保PandaBoard 與PC 機(jī)連接，在Matlab 命令窗口中輸入targetupdate 進(jìn)行PandaBoard 板上系統(tǒng)的安裝，安裝的中間過程可以在MATHWORKS 官網(wǎng)上查詢。在安裝的最后需要配置PandaBoard 信息，比如系統(tǒng)名稱、IP地址、網(wǎng)關(guān)等，需要注意的是PandaBoard與PC機(jī)必須處在同一個(gè)子網(wǎng)下。系統(tǒng)安裝完成之后需要測(cè)試PandaBoard與PC機(jī)的連接狀態(tài)，其過程如下： 關(guān)閉PC 機(jī)**墻，防止**墻阻斷PC 機(jī)與PandaBoard的連接； 在PC機(jī)上打開開始，輸入cmd打開命令提示符；輸入ping+“PandaBoard IP”，查看PC 機(jī)到PandaBoard是否連通； 在Matlab 命令窗口輸入：h = panda；h.openShell（‘serial’）； 上述兩個(gè)命令可以打開如圖6 所示的PuTTY 的配置窗口，通過該窗口配置串口信息，如圖7所示，點(diǎn)擊serial可以查看配置信息； 串口配置完成之后點(diǎn)擊‘Open’可以通過串口在PC機(jī)上打開終端客戶端，對(duì)PandaBoard遠(yuǎn)程執(zhí)行Linux命令； 在終端客戶端中輸入ping+“PC 機(jī)IP”，查看PandaBoard到PC機(jī)是否連通。 圖6 PuTTY配置窗口 圖7 串口配置信息 確定PC 機(jī)與PandaBoard連通之后即可將Simulink模型下載到PandaBoard上運(yùn)行，下載過程如下： 在模型上選擇Tools→Run on Target Hardware→Options，運(yùn)行硬件選擇PandaBoard同時(shí)檢查PandaBoard配置信息是否正確； 點(diǎn)擊Deploy To Hardware運(yùn)行模型。 5.2 系統(tǒng)測(cè)試 程序下載到PandaBoard之后即可斷開與PC機(jī)的連接獨(dú)立運(yùn)行。用USB無(wú)線鼠鍵在PandaBoard開發(fā)板上運(yùn)行的Ubuntu系統(tǒng)上打開一個(gè)終端，通過命令行的形式即可運(yùn)行程序，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。 圖8（a）顯示了系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)人體的檢測(cè)結(jié)果，圖8（b）顯示了對(duì)運(yùn)動(dòng)手掌的檢測(cè)結(jié)果。其中，白色像素表示運(yùn)動(dòng)物體（人體、手掌），黑色像素表示靜止的前景或背景。 圖8 檢測(cè)結(jié)果 6 結(jié)語(yǔ) 本文提出一種基于Simulink 平臺(tái)和嵌入式PandaBoard開發(fā)板綜合設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)同時(shí)利用Simulink 開發(fā)簡(jiǎn)易和嵌入式PandaBoard 實(shí)時(shí)處理的優(yōu)點(diǎn)，相比于其他的視頻監(jiān)控設(shè)備，本系統(tǒng)的構(gòu)建成本更低，算法的設(shè)計(jì)更加靈活，程序的調(diào)試也更加方便。以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以構(gòu)建出各種更加復(fù)雜的實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)。因此，本文的方案通用性和可拓展性強(qiáng)，將會(huì)在更多場(chǎng)景中體現(xiàn)出實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。 |
